Identification of genes involved in genetic diseases in human and dog : from dermatology to neurology

L'espèce canine (Canis lupus familiaris) rassemble plus de 350 races issues d'une sélection artificielle drastique menée par l'Homme au cours des derniers siècles. De ce fait, chaque race peut être considérée comme un isolat génétique développant chacune des affections génétiques de manière spontanée avec parfois de fortes fréquences. Ainsi, l'espèce canine constitue un modèle puissant pour identifier les gènes et allèles responsables de ces affections homologues à certaines maladies génétiques humaines. Mon premier projet a porté sur la recherche des causes génétiques de deux kératodermies plantaires chez le terrier irlandais et le dogue de Bordeaux. En combinant plusieurs analyses d'association (GWAS : « Genome Wide Association Study ») et des techniques de séquençage NGS (Next Generation Sequencing), un nouveau gène muté a été identifié pour le terrier irlandais. Concernant les dogues de Bordeaux, nous avons génotypé plus de 170 000 SNPs sur plus de 200 dogues. Une analyse de liaison génétique a permis d'identifier un locus de 20 Mb sur le chromosome 9 contenant un cluster de kératines. En combinant les données cliniques et génétiques, la kératine 16 s'avérait le meilleur gène candidat. Son séquençage complet a permis d'identifier une mutation complexe générant une protéine tronquée. Des analyses de PCR quantitatives ont révélé que ce gène muté était sous exprimé chez les individus atteints. Ce travail nous permet donc de proposer cette race de chien comme le premier modèle animal spontané de kératodermie focale non-épidermolytique (FNEPPK). En parallèle de ce projet, j'ai mené des recherches sur les bases moléculaires d'un syndrome d'automutilation acrale décrit dans plusieurs races. Cette neuropathie est homologue aux neuropathies héréditaires sensitives et autonomes (HSANs) chez l'Homme et se caractérise par une perte de sensibilité à la douleur au niveau des membres. A partir d'un GWAS, j'ai pu identifier un locus de 1,5 Mb chez le chien, dont l'orthologue humain n'est pas encore décrit chez des patients HSANs. Le séquençage complet de ce locus a mené à l'identification d'un variant situé dans une région cis-enhancer en amont d'un gène candidat. La mise en évidence d'une sous-expression du gène candidat indique que ce variant régulateur semblerait modifier l'activité de l'enhancer nous permettant de le proposer comme la mutation causale chez le chien. Cette découverte offre donc de nouvelles perspectives de recherche pour des patients humains atteints de neuropathies héréditaires sensitives. En combinant des approches génétiques complémentaires sur des modèles spontanés de maladies bien caractérisées chez le chien, j'ai pu participer à l'identification de trois nouveaux gènes, dont deux excellents candidats pour ces maladies homologues humaines. Le troisième représente un vrai modèle spontané de kératodermie K16, ouvrant ainsi des perspectives thérapeutiques qui bénéficieront à l'Homme et au chien.The dog species (Canis lupus familiaris) contains more than 350 distinct breeds resulting from human drastic selection during the last centuries. Each breed can then be considered as a genetic isolate, developing specific spontaneous genetic diseases with high frequencies. Thus, dogs constitute a powerful model to identify new genes and alleles involved in disorders homologous to human diseases. For my thesis, I worked on two main topics. The first one focused on the search of the genetic causes of two footpad keratodermas in the Irish terrier and the dogue de Bordeaux breeds. Concerning the Irish terrier, the work was conduced by Tosso Leeb’s team in the University of Berne, in collaboration with the Antagene Company. Using a Genome Wide Association Study (GWAS) and Next Generation Sequencing (NGS), the mutation in a new gene has been identified in footpad hyperkeratosis in this breed. For the dogue de Bordeaux project, we genotyped more than 170 000 SNPs on over 200 dogs. We then performed a genetic linkage study with a subset of 68 dogs, including 14 affected dogs. We identified a significant locus of 20 Mb on the canine chromosome 9 containing one keratin cluster. Comparing clinical, histopathological and immunochemistry data, keratin 16 appeared as an excellent candidate. The sequencing of the gene revealed a complex mutation leading to a non-functional truncated K16 protein. Quantitative RT-PCR analyses showed a strong decrease of the level of KRT16 expression in affected footpads. These results led to propose the dogue de Bordeaux footpad hyperkeratosis as the first spontaneous model of focal non-epidermolytic palmoplantar keratoderma (FNEPPK). In parallel, I studied an acral mutilation syndrome described in several hunting dog breeds. This neuropathy corresponds to human hereditary sensory and autonomic neuropathies (HSANs) and is characterized by an insensitivity to pain only in the limb. With a classical GWAS strategy, using 24 affected and 30 unaffected dogs, we identified a 1.5 Mb locus in dogs, the human orthologous locus being still unknown in human patients. Targeted sequencing of this locus revealed one single variant localized in a cis-enhancer region closed to a strong candidate gene. A lower level of expression of the candidate gene in affected dogs seems to show a functional effect of the mutation in the enhancer activity. These results led to propose this variant as the causative mutation for this canine neuropathy, and so this canine model as an opportunity to identify a new human HSAN gene. Combining complementary genetic approaches on spontaneous models of well characterized canine diseases, I did participated to the identification of three new genes, two of which being novel excellent candidates for the homologous human diseases. The third represents a true homologous model of KRT16 human keratoderma, opening the field to the development of new treatments benefiting to both humans and dogs